农业是人类社会最基础的产业，关系着人类自身的生存，是最重要的产业。人类社会发展史，基本上就是农业发展史。每增加一口人，农业就必须提供相应的产量。农业发展的需要，推动了文化，科技，社会的发展。在1万年的时间内，人口从一百万增长到一百亿左右。地球的面貌，因为人类的出现，第一次在短期内因为单一物种的发展，发生了彻底的变化。

人口的高速增长，反过来对农业提出了更高的要求。传统的自然环境农业，虽然经过各阶段的技术革命，单位面积产量提高了很多，但现在又遇到了瓶颈，也出现了很多问题。农业需要新的突破口，需要新的颠覆性技术。人工环境种植，就是其中最重要的一个方向，因为它特别高效。我们从下面几个方面解释：

温度：

植物生长的光合作用需要光照和温度。自然环境下，只要是白天，光照一般不是限制因素，关键是温度。光合作用的效率，或者养分积累，主要受两个因素控制。一是将二氧化碳和水转化成葡萄糖的光合作用，二是消耗葡萄糖的呼吸作用。在一定温度区间内，随着温度上升，两种作用都线性增长，开始光合作用要比呼吸作用增长快，到了某一温度后，两种作用平衡，高于这一温度，呼吸作用开始快于光合作用，植物养分净流失。不同作物的光合作用开始温度，最佳温度，最高温度，都各不相同，如图一所示。

图一，西兰花和玉米不同温度下的生长速度

一般植物的最佳生长温度范围只有5到10摄氏度。温度高了，低了，都生长不好。自然环境下，一年气温的变化范围有50℃左右，再扣除霜期和夜间，在一年的8765个小时内，真正适宜植物生长的时间，只有大约1/10左右，也就是不到900小时。如果能够通过人工环境调控温度到最佳，一年到生长时间能达到5000小时左右（太阳在地平面以下的半个小时到一个小时时间内也可以生长）

光照

植物生长对光照强度的要求很高，但对生长高度较低的作物，一般白天的光照就足够了。光照强度超过一定阈值，光合作用就饱和了，多余的光没有意义，甚至有害。不同植物光照饱和强度不一样，一般在每平方米100瓦左右。

图二、光合作用随光照强度变化的曲线，随光照强度上升，光合作用逐渐饱和

日光直射条件下，光照强度可以达到每平米1000瓦左右，大大超过光合作用的需要，即使阴天，一般也足够。植物参与的光合作用叶绿素有两种，叶绿素A和叶绿素B，它们需要的光谱略有不同，但都需要红光和蓝光，基本不吸收太阳光中强度最高的黄绿光。这也是植物叶子为绿色的原因。

图三、叶绿素的吸收谱，两种叶绿素在红光和蓝光端有吸收峰

如果采用人工照明，考虑到电光效率最高只有40%左右，100瓦的照明需要消耗250瓦电，一公顷等于1万平米，总照明用电功率需要2500千瓦，如果8毛钱一度电，一个小时就是2000元。如果采用光电二极光（LED）照明，考虑到光电二极管光谱比较窄，可以只发叶绿素的吸收峰波长的光，而LED的电光效率（能量转换效率，不是照明效率）又比较高，可以达到40-80%左右，因此，满足同样光照生长条件的LED光源只需要每平米40瓦左右，用电60瓦，只有高压钠灯耗电的四分之一。但即使如此，每公顷耗电仍然有600千瓦，每小时500元电费左右。对于城市高密度种植的立体农场，这些光带来的热还需要用空调排出，大约每小时还有200元的空调用电费。如果一年不间断运行，西红柿，黄瓜，叶菜的产量每平方米能到每年80公斤左右，照明和空调用电的费用是8760*0.07=613元，每公斤产品的照明用电成本接近8元。

自然环境与人工环境比较

自然环境下，温度不可控，随季节气候日夜变化，光照比较有规律，但不均衡。

由于植物不能承受霜冻，一天内只要有很短一段时间内气温低于零度，植物就会死亡。因此自然环境下，霜期不能种植，人工环境没有这一限制。

由于温度对光合作用的影响，自然环境下，植物对光的利用效率很低。以春天为例，如图四所示，自然环境下，虽然天亮就有足够的光照了，但到上午9点左右，温度才上升到足够高，光合作用发生，生产养分。傍晚也很早就停止了。而人工环境下（这里是阳光温室），温度上升快，光合作用提前两个小时开始，且一直维持较高生产效率，直到太阳落山，如果有补光，还可以再持续生长一段时间。

图四、春天自然环境（黑色）和人工环境（红色）植物光合作用生长曲线

而在夏天，由于温度太高也对生长不利，夜间没有光照时由于温度高，也有养分消耗，总的生长条件也不好。生长曲线如图五所示。

图五、夏天植物的生长曲线。自然环境下，夜间有养分消耗；中午时段温度太高，生长不好。

如果看一年内每个月作物的生长量，冬季自然环境下不能生长，而人工环境也能生长，夏季人工环境的生产量高于冬季，是因为日照时间长。在所有的时间内，人工环境下作物的生长都远好于自然环境。

  图六、一年内，自然环境和人工环境下，作物每个月的生长量。自然环境下，
   春天的生长量小是因为作物是一年生，春天植株小，叶面面积小，温度也偏低。

从图六可以看出，总的产量比是就是黑线和红线围到横轴的面积比。图中，人工环境的生长量是自然环境的六倍左右，但考虑到还有自然灾害，水肥条件等，人工环境农业的产量要比自然环境高更多倍数。

所以，仅靠改变作物生长的环境，增产效果比别的方式潜力更大，生产更有保障，品质也更好控制，更环保，大大节省耕地。

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